Illustrazione di un interferometro ottico integrato con monostrati di semiconduttori come i TMD su entrambi i bracci dell'interferometro al nitruro di silicio (SiN). È possibile sondare le proprietà elettro-ottiche del monostrato con alta precisione utilizzando questi interferometri ottici su chip. Credito:Ipshita Datta e Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering
Manipolazione ottica su nanoscala, o nanofotonica, è diventata un'area di ricerca critica, mentre i ricercatori cercano modi per soddisfare la domanda sempre crescente di elaborazione e comunicazione delle informazioni. La capacità di controllare e manipolare la luce su scala nanometrica porterà a numerose applicazioni tra cui la comunicazione di dati, immagini, che vanno, rilevamento, spettroscopia, e circuiti quantistici e neurali (pensa a LIDAR, rilevamento e rilevamento della luce, per auto a guida autonoma e video on demand più veloci, Per esempio).
Oggi, il silicio è diventato la piattaforma fotonica integrata preferita grazie alla sua trasparenza alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, capacità di modulazione elettro-ottica e termo-ottica, e la sua compatibilità con le tecniche di fabbricazione dei semiconduttori esistenti. Ma, mentre la nanofotonica al silicio ha fatto passi da gigante nel campo delle comunicazioni ottiche di dati, array a fasi, LIDAR, e circuiti quantistici e neurali, ci sono due preoccupazioni principali per l'integrazione su larga scala della fotonica in questi sistemi:la loro necessità in continua espansione di ridimensionare la larghezza di banda ottica e il loro elevato consumo di energia elettrica.
I modulatori di fase in silicio sfusi esistenti possono modificare la fase di un segnale ottico, ma questo processo va a scapito di un'elevata perdita ottica (modulazione elettro-ottica) o di un elevato consumo di energia elettrica (modulazione termo-ottica). Un team della Columbia University, guidato da Michal Lipson, Eugene Higgins Professore di Ingegneria Elettrica e professore di fisica applicata alla Columbia Engineering, ha annunciato di aver scoperto un nuovo modo per controllare la fase della luce utilizzando materiali 2-D:materiali atomicamente sottili, 0,8 nanometri, o 1/100, 000 delle dimensioni di un capello umano, senza modificarne l'ampiezza, a dissipazione di potenza elettrica estremamente bassa.
In questo nuovo studio, pubblicato oggi da Fotonica della natura , i ricercatori hanno dimostrato che semplicemente posizionando il materiale sottile sopra le guide d'onda passive di silicio, potrebbero cambiare la fase della luce con la stessa forza dei modulatori di fase al silicio esistenti, ma con una perdita ottica e un consumo energetico molto inferiori.
Illustrazione di una cavità ottica a bassa perdita basata su risonatore micro-anello integrato con materiale 2D semiconduttore sulla parte superiore della guida d'onda. Credito:Ipshita Datta e Aseema Mohanty, Lipson Nanophotonics Group/Columbia Engineering
"La modulazione di fase nella comunicazione ottica coerente è rimasta una sfida da scalare, a causa dell'elevata perdita ottica associata al cambiamento di fase, " dice Lipson. "Ora abbiamo trovato un materiale che può cambiare solo la fase, fornendoci un'altra strada per espandere la larghezza di banda delle tecnologie ottiche."
È noto che le proprietà ottiche dei materiali semiconduttori 2-D come i dicalcogenuri dei metalli di transizione (TMD) cambiano drasticamente con l'iniezione di portatori liberi (doping) vicino alle loro risonanze eccitoniche (picchi di assorbimento). Però, si sa molto poco dell'effetto del drogaggio sulle proprietà ottiche dei TMD alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni, lontano da queste risonanze eccitoniche, dove il materiale è trasparente e quindi può essere sfruttato nei circuiti fotonici.
La squadra colombiana, che includeva James Hone, Wang Fong-Jen Professore di Ingegneria Meccanica presso la Columbia Engineering, e Dimitri Basov, professore di fisica all'università, ha sondato la risposta elettro-ottica del TMD integrando il monostrato semiconduttore sopra una cavità ottica di nitruro di silicio a bassa perdita e drogando il monostrato utilizzando un liquido ionico. Hanno osservato un grande cambiamento di fase con il doping, mentre la perdita ottica è cambiata minimamente nella risposta di trasmissione della cavità dell'anello. Hanno dimostrato che il cambiamento di fase indotto dal drogaggio relativo al cambiamento nell'assorbimento per i TMD monostrato è di circa 125, che è significativamente più alto di quello osservato nei materiali comunemente impiegati per i modulatori fotonici al silicio inclusi Si e III-V su Si, pur essendo contemporaneamente accompagnato da una perdita di inserzione trascurabile.
"Siamo i primi ad osservare un forte cambiamento elettro-rifrattivo in questi sottili monostrati, ", afferma l'autrice principale del giornale Ipshita Datta, un dottorato di ricerca studente con Lipson. "Abbiamo mostrato la pura modulazione di fase ottica utilizzando una piattaforma di guida d'onda composita a bassa perdita di nitruro di silicio (SiN)-TMD in cui la modalità ottica della guida d'onda interagisce con il monostrato. Quindi ora, semplicemente posizionando questi monostrati su guide d'onda in silicio, possiamo cambiare la fase dello stesso ordine di grandezza, ma a una dissipazione di potenza elettrica 10000 volte inferiore. Questo è estremamente incoraggiante per il ridimensionamento dei circuiti fotonici e per LIDAR a bassa potenza".
I ricercatori stanno continuando a sondare e comprendere meglio il meccanismo fisico alla base del forte effetto elettrorifrattivo. Attualmente stanno sfruttando i loro modulatori di fase a bassa perdita e bassa potenza per sostituire i tradizionali sfasatori, e quindi ridurre il consumo di energia elettrica in applicazioni su larga scala come i phased array ottici, e circuiti neurali e quantistici.
